稳态法导热系数测定实验

稳态法导热系数测定实验

一、 实验目的

1、 通过实验使学生加深对傅立叶导热定律的认识。

2、 通过实验，掌握在稳定热流情况下利用稳态平板法测定材料导热系数的 方法。

3、 确定材料的导热系数与温度之间的依变关系。

4、 学习用温差热电偶测量温度的方法。

5、 学习热工仪表的使用方法

二、 实验原理

平板式稳态导热仪的测量原理是基于一维无限大平板稳态传热模型， 这种方 法是把被测材料做成比较薄的圆板形或方板形， 薄板的一个表面进行加热，另一 个表面则进行冷却，建立起沿厚度方向的温差。图 1是无限大平板导热示意图。

8

y

[ ——x

T Q T wi

X

图1无限大平板的稳态导热示意图

根据傅立叶（Fourier ）定律:

在一维无限大平板稳态传热时，万程（1）可简化为

2

T

2

X

x=0 时， T=T w1

x= 8 时，

T=T W

2

可解得下列方程

工)

X

丄)-(

y y

Z

) & y

(1)

其边界条件为

式中

入 导热系数，W/m ・°C ；

s ――试件厚度，m

Q -- 热流量，W ；

A ――试件面积，m ；

T W 1 ――试件下表面温度，C ； T W 2 ――试件上表面温度，C 。

般情况下，选择平板试件的尺寸要注意满足下列条件:

式中

D ——方板的短边长度，m 热流量Q 也可以由输入

电压和电阻表示为:

U 2

式中

U ——施加在加热板上的电压，V ； R ——加热板上内部加热电阻丝的电阻，Q 将式（5）带入式（4）得

R A (T W 1

T W 2)

对应此入的材料温度为

由式（3）可得 Q — A(T W 1 T W 2)

(3)

Q A 仃W 1

T W 2

)

(4)

(5)

〜丄D

7 10

(6)

根据式（7）只要知道试件面积A、电压U电阻R厚度S以及在厚度S方向上的温度差，便可求出导热系数。

三、实验设备

实验设备如图2所示

图2平板式稳态法导热仪的总体结构图

1.调压器

2.铜板

3.主加热板

4.上均热片

5.中均热片

6.下均热片

7.热电偶

8.副加热板

9.数据采控系统10.温度仪表

11.试样装置12.循环水箱电位器13.保温材料14.电位器

键盘共有6个按键组成，包括为“ 5”、“ 1”、“0.1 ”3个数据键，“土” 正负号转换键，“ RST复位键，“ ON/OFF开关键。

数据键：根据不同的功能对相应的数据进行加减，与后面的“土”正负号转换键和“ shift ”功能键配合使用。

“土”正负号转换键：当“土”正负号转换键为“+”时，在原数据基础上

加相应的数值；为“-”时，减相应的数值。

“ RST复位键：复位数据，重新选择。

控制板上的四个发光二极管分别对应四路热电偶，发光二极管发光表示对应的热电偶接通。由一台调压器输出端采用并联方式提供两路输出电压，电位器对每路输出电压进行调整，作为两个加热板的输入电压。

四、实验内容

1、根据提供的实验设备仪器材料，搭建实验台，合理设计实验步骤。调整好电加热器的电压（调节调压器），并测定相关的温度及电热器的电压等试验数据。

2、对测定的实验数据按照一定的方法测量进行数据处理，确定材料的导热系数与温度之间的依变关系公式。

3、对实验结果进行分析与讨论。

4、分析影响制导热仪测量精度的主要因素。

5、在以上分析结论的基础之上尽可能的提出实验台的改进方法。

五、实验步骤

1、利用游标卡尺测量试样的长、宽、厚度，测试样 3 个点的厚度，取其算术平均值，作为试样厚度和面积。

2、测量加热板的内部电阻。

3、校准热工温度仪表。

4、向水箱内注入冷却水。

5、通过调整电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率，通过 4 位“LED显示主加热板和副加热板的温度，根据主加热板的温度，调整电位器改变施加在副加热板的电压，使副加热板的温度与主加热板的温度一致。利用数字电压表测量并记录主加热板电压。

6、在加热功率不变条件下, 试样下表面和循环水箱下表面的温度波动每

5min不超过土1°C时，认为达到稳态。此时，记录主加热板温度、试样两面温差。

7、通过数据键输入试样面积、厚度等相关参数，由试样面积、厚度、主加热板的电阻、电压、上表面温度及上均热片的上表面温度获得试样的导热系数。

8、改变电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率件，重复步骤（ 5 至7）测量并记录多个温度下的材料导热系数。

9、关掉电源。

六、实验要求

1、采用精度不低于0. 05 mm勺厚度测量工具（游标卡尺），沿试样四周测量

四处的厚度，取其算术平均值，作为实验前试样厚度。

2、用酒精将试件及均热片擦洗干净并晾干，晾干后在其上均匀涂抹导热油

3、用调压器将电压调至一定值，保持不变，经一段时间后，待跟试件上下表面接触的铜片各点温度为一定值时，即导热过程达到稳定后记录各点温度及电热器的